Nama : Rizka Febrianti

NIM : 03111003004

Kelas : B

Jurusan: Teknik Kimia

Reaktor CSTR dan PFR pada Industri

Salah satu reaktor yang mekanismenya cukup sederhana dibandingkan dengan

reaktor-reaktor yang digunakan pada industri kimia adalah reaktor alir pipa. Model reaktor

alir pipa (RAP) atau plug flow reaktor (PFR) merupakan reaktor di mana reaksi kimia

berlangsung secara kontinu sepanjang sistem aliran. Reaktor alir pipa sering juga disebut

sebagai reaktor alir sumbat atau Continuous Tubular Reaktors (CTRs). Reaktor alir pipa ini

digunakan untuk memperkirakan sifat-sifat reaktor kimia sehingga variable kunci reaktor

seperti dimensi reaktor bisa dihitung.

Reaktor ini memiliki karakteristik dalam mekanisme reaksi. Pada umumnya

karakteristik reaktor alir pipa pada kondisi ideal yaitu:

1. Reaktor ini biasanya berupa tube (tabung) yang bereaksi dengan aliran fluida.

2. Diasumsikan  tidak terjadi pengadukan (mixing).

3. Aliran plug merupakan jenis aliran yang terjadi pada reaktor ini (reaktor alir).

4. Sebagian besar mixing dari jenis reaktor ini beroperasi pada level intermediet.

5. Pencampuran sempurna dalam dimensi radial (konsentrasi seragam).

6. Tidak ada pencampuran (mixing) pada aliran aksial atau tidak terjadi dispersi aksial

(aliran terpisah).

a. Reaktor CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor)

Industri yang menggunakan reaktor CSTR, antara lain : PT. Polypet Karya Persada,

PT. Polysinso Eka Perkasa, PT. Polytama Propindo.

Aplikasi Reaktor Alir Tangki Berpengaduk

1. SPM-2100

SPM-2100 Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) dapat digunakan untuk

mereaksikan 2 macam gas. Reaksinya dapat terjadi dalam keadaan endoterm maupun

eksoterm. Contohnya: reaksi antara etilen (reaktan A) dengan benzena (reaktan B) yang

terjadi dalam keadaan eksoterm, untuk memproduksi etilbenzena (produk C), bahan kimia

yang digunakana dalam pembuatan monomer stirena. Reaktan A dan B dimasukkan ke

dalam CSTR agar kedua reaktan tersebut tercampur dengan sempurna menggunakan

pemutar bermotor (motorized agitator).

2. CSTR dengan cooling jacket

Pada CSTR disamping yang terjadi adalah reaksi tunggal dalam keadaan eksoterm

yang tidak dapat balik (irreversible), dapat dilihat bahwa aliran fluida dimasukkan secara

terus-menerus ke dalam reaktor dan aliran fluida lainnya dikeluarkan terus-menerus dari

reaktor. Sejak reaktor tersebut menggabungkan dengan sempurna, aliran keluar memiliki

konsentrasi dan temperatur yang sama dengan fluida dalam reaktor. Menyadari bahwa

lapisan disekitar reaktor juga masuk dan keluar aliran, pelapis diasumsikan bergabung

dengan sempurna dan pada temperatur yang lebih rendah dari reaktor. Energi lalu

melewati dinding reaktor menuju pelapis, memindahkan panas yang dihasilkan oleh

reaksi.

Banyak contoh reaktor yang digunakan dalam industri yang serupa dengan reaktor di

atas. Contohnya adalah tipe-tipe dari reaktor polmerisasi yang memproduksi polimer

yang digunakan dalam produk plastik seperti pendingin polistirena atau botol plastik.

Neraca Massa komponen A adalah:

Input = Output + Reaksi + Akumulasi

laju reaktan = laju reaktan yang + laju reaktan + laju reaktan yang

yang masuk meninggalkan reaktor yang bereaksi terakumulasi

Konfigurasi Reaktor Alir Tangki Berpengaduk

Reaktor Tangki Alir Berpengaduk atau yang biasa dikenal sebagai Continuous Stirred

Tank Reactor (CSTR) merupakan jenis reaktor dengan model berupa tangki berpengaduk dan

diasumsikan pengaduk yang bekerja dalam tangki sangat sempurna sehingga konsentrasi tiap

komponen dalam reaktor seragam sebesar konsentrasi aliran yang keluar dari reaktor. Reaktor

jenis ini merupakan reaktor yang umum digunakan dalam suatu industri. Dalam operasinya,

reaktor ini sering digunakan dalam jumlah lebih dari satu dengan rangkaian reaktor disusun

secara seri maupun paralel.          

Pemilihan susunan rangkaian reaktor dipengaruhi oleh berbagai pertimbangan,

tergantung keperluan dan maksud dari operasinya. Masing-masing rangkaian memiliki

kelebihan dan kekurangan, karena di dunia ini tidak ada yang sempurna. Semua yang ada

didunia ini saling melengkapi satu sama lainnya. Secara umum, rangkaian reaktor yang

disusun secara seri itu lebih baik dibanding secara paralel. Setidaknya ada 2 sisi yang dapat

menjelaskan kenapa rangkaian reaktor secara seri itu lebih baik. Pertama, ditinjau dari

konversi reaksi yang dihasilkan dan yang kedua ditinjau dari sisi ekonomisnya.

Pertama, ditinjau dari konversi reaksinya. Feed yang masuk ke reaktor pertama dalam suatu

rangkaian reaktor susunan seri akan bereaksi membentuk produk yang mana pada saat

pertama ini masih banyak reaktan yang belum bereaksi membentuk produk di reaktor

pertama, sehingga reaktor selanjutnya berfungsi untuk mereaksikan kembali reaktan yang

belum bereaksi dan seterusnya sampai mendapatkan konversi yang optimum. Secara

sederhana, reaksi yang berlangsung itu dapat dikatakan berkali-kali sampai konversinya

optimum. Konversi yang optimum merupakan maksud dari suatu proses produksi. Sementara

itu jika dengan reaktor susunan paralel, dengan jumlah feed yang sama, maka reaksi yang

terjadi itu hanya sekali sehingga dimungkinkan masih banyak reaktan yang belum bereaksi.

Walaupun pada outletnya nanti akan dijumlahkan dari masing-masing reaktor, namun tetap

saja konversinya lebih kecil, sebagai akibat dari reaksi yang hanya terjadi satu kali.

Kedua, tinjauan ekonomisnya. Dalam pengadaan alat yang lain, misal jika seri hanya

memerlukan satu wadah untuk bahan baku (baik dari beton ataupun stainless steel), dan

konveyor yang digunakan juga cukup satu. Namun jika paralel mungkin memerlukan wadah

lebih dari satu ataupun konveyor yang lebih dari satu untuk memasukkan feed ke masing-

masing reaktor. Konsekuensi yang lain dari suatu reaktor rangkain paralel adalah karena

masih ada reaktan yang banyak belum bereaksi maka dibutuhkanlah suaturecycle yang

berakibat pada bertambahnya alat untuk menampungnya, sehingga lebih mahal untuk

mendapatkan konversi yang lebih besar

Salah satu kerugian dari penggunaan reaktor tangki (CSTR) adalah bahwa reaksi

berlangsung pada konsentrasi yang realtif rendah, yaitu sama dengan konsentrasi di dalam

campuran yang meninggalkan reaktor. Akibatnya untuk reaksi-reaksi berorde positif volume

reaktor yang diperlukan menjadi besar. Salah satu cara untuk menghindari kerugian ini

adalah dengan mempergunakan beberapa reaktor tangki yang dipasang seri, sehingga

konsentrasi reaktan tidak turun secara drastis tetapi bertahap dari satu tangki ke tangki yang

berikutnya.

Dengan cara ini maka kecepatan reaksi di masing-masing tangki akan turun menurun

secara bertahap pula, sehingga volume total seluruh reaktor untuk mendapatkan besarnya

konversi tertentu akan lebih kecil dibandingkan dengan sistem reaktor tunggal.

b. Reaktor PFR (Plug Flow Reactor)

Industri yang menggunakan reaktor PFR atau Reaktor Alir Pipa, adalah : PT.

Petrokimia Gresik dan Pertamina.

Reaktor alir pipa merupakan  reaktor di mana cairan bereaksi dan mengalir  dengan

cara  melewati tube (tabung) dengan kecepatan tinggi, tanpa terjadi pembentukan arus putar

pada aliran cepat. Reaktor alir pipa pada hakekatnya hampir sama dengan pipa dan relatif

cukup mudah dalam perancangannya. Reaktor ini biasanya  dilengkapi  dengan selaput

membran  untuk menambah yield produk pada reaktor. Produk secara selektif ditarik dari

reaktor sehingga  keseimbangan dalam  reaktor secara kontinu  bergeser membentuk lebih

banyak produk.

Pada umumnya reaktor alir pipa dilengkapi dengan katalisator.  Seperti sebagian besar

reaksi pada industry kimia, reaksinya membutuhkan katalisator secara signifikan pada suhu

layak (standar). Dalam RAP, satu atau lebih reaktan dipompakan ke dalam suatu pipa.

Biasanya reaksi yang digunakan pada reaktor ini adalah reaksi fasa gas. Reaksi kimia

berlangsung sepanjang pipa sehingga semakin panjang pipa maka konversi yield akan

semakin tinggi. Namun tidak mudah untuk menaikkan konversi karena di dalam RAP

konversi terjadi secara gradien. Pada awalnya kecepatan reaksi berlangsung secara cepat

namun setelah panjang pipa tertentu atau pipa bertambah panjang maka jumlah reaktan akan

berkurang dan kecepatan reaksi berlangsung lebih lambat dan akan semakin lambat seiring

panjangnya pipa. Artinya, untuk mencapai konversi 100% panjang pipa yang dibutuhkan

adalah tak terhingga.

Beberapa hal penting dalam reaktor alir pipa adalah:

1. Perhitungan dalam model RAP mengasumsikan tidak terjadi pencampuran (mixing)

dan reaktan bergerak secara aksial bukan radial.

2. Katalisator dapat dimasukkan melalui titik yang berbeda dari titik masukan dimana

katalisator ini diharapkan dapat mengoptimalkan reaksi dan terjadi penghematan.

3. Umumnya RAP memiliki konversi yang lebih besar dibandingkan dengan reaktor alir

tangki berpengaduk (RATB) dalam volume yang sama. Artinya, dengan waktu tinggal

yang sama reaktor alir pipa memberikan hasil yang lebih besar dibandingkan RATB.

Di dalam reaktor alir pipa, fluida mengalir dengan perlakuan yang sama sehingga

waktu tinggal (τ) sama untuk semua elemen fluida. Fluida sejenis yang mengalir melalui

reaktor ideal ini disebut dengan plug. Saat plug mengalir sepanjang reaktor alir pipa, fluida

bercampur sempurna dalam arah radial bukan dalam arah axial (dari arah depan atau

belakang). Setiap plug dengan volume berbeda dinyatakan sebagai kesatuan yang terpisah-

pisah (hampir seperti batch reaktor) dimana plug mengalir turun melalui pipa reaktor ini.

Reaktor alir pipa juga dikenal sebagi reaktor aliran piston atau reaktor aliran turbular.

Reaktor-reaktor tersebut memiliki  persamaan diferensial biasa, dimana pemecahan

persamaan tersebut dapat diselesaikan jika boundary condition diketahui. Model reaktor alir

pipa digunakan untuk berbagi jenis  fluida, seperti: cairan, gas, dan slurry. Walaupun aliran

turbulen dan difusi aksial menyebabkan pencampuran arah axial pada berbagai reaktor

namun pada reaktor alir pipa kondisi ini memiliki efek yang kecil dan diabaikan. Pada kasus

model reaktor alir pipa yang paling sederhana, beberapa asumsi pokok harus dibuat untuk

menyederhanakan masalah ini. Perlu diperhatikan  bahwa tidak semua asumsi ini perlu,

namun pemindahan asumsi ini menambah kerumitan masalah.

Model reaktor alir pipa dapat digunakan pada reaksi lipat ganda (multiple reaction)

serta reaksi yang melibatkan perubahan suhu, tekanan dan densitias fluida. Walaupun

kerumitan ini diabaikan, namun selalu relevan dalam proses industri. Adapun asumsi yang

diguanakan pada model reaktor ini sebagai berikut:

1. Aliran plug (plug flow)

2.  Keadaan steady state

3. Densitas fluida konstan (untuk cairan dan juga berlaku untuk gas yang tidak

mengalami penurunan tekanan, perubahan mol dan  perubahan temperatur).

4. Diameter pipa konstan

5. Reaksi tunggal (single reaction)

6. Zat mengalir di dalam pipa dengan distribusi kecepatan datar

7. Kecepatan pengadukan ke arah radial berlangsung sangat cepat sehingga pada setiap

penampang pipa R, T,P dan komposisi fluida selalu uniform (seragam), dan perbedaan

terjadi di sepanjang pipa R

8. Setiap partikel fluida yg mengalir mempunyai waktu tinggal sama

9. Fluida dalam fasa gas berlangsung pada tekanan tetap dan fluida dalam fasa cair

berlangsung pada volume dan tekanan tetap.

Dalam aplikasinya, reaktor alir pipa digunakan pada reaksi:

a. Reaksi skala besar

b.  Reaksi cepat

c. Reaksi homogen atau heterogen

d. Reaksi kontinu

e. Reaksi pada temperatur tinggi.

Neraca mol reaktor pipa alir (PFR)

−dF A

dV=−r A

(14)

F A=F A 0−F A 0 x

−dF A

dV=F A 0

dxdV (15)

Dengan menggabung persamaa (14) dan (15) didapat:

F AOdxdV

=−r A(16)

F A 0∫o

x dx−r A

=∫o

VdV

V=F A 0∫o

x dx−r A (17)

Laju reaksi merupakan fungsi konsentrasi dan konsentrasi merupakan fungsi konversi

sehingga laju reaksi merupakan fungsi konversi. Kurva (-1/rA) versus konversi

ditampilkan pada Gambar berikut: